两轮自平衡小车的设计毕业设计(论文)

本科毕业设计（论文）题目两轮自平衡小车的设计
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评阅教师评阅书
I
摘要
近年来，两轮自平衡车的研究与应用获得了迅猛发展。

本文提出了一种两轮自平衡小车的设计方案，采用陀螺仪ENC-03以及MEMS加速度传感器MMA7260构成小车姿态检测装置，使用卡尔曼滤波完成陀螺仪数据与加速度计数据的数据融合。

系统选用飞思卡尔16位单片机MC9S12XS128为控制核心，完成了传感器信号的处理，滤波算法的实现及车身控制，人机交互等。

整个系统制作完成后，各个模块能够正常并协调工作，小车可以在无人干预条件下实现自主平衡。

同时在引入适量干扰情况下小车能够自主调整并迅速恢复稳定状态。

小车还可以实现前进，后退，左右转等基本动作。

关键词：两轮自平衡陀螺仪姿态检测卡尔曼滤波数据融合
II
Design of Two-Wheel Self-Balance Vehicle
Abstract
In recent years, the research and application of two-wheel self-balanced vehicle have obtained rapid development. This paper presents a design scheme of two-wheel self-balanced vehicle. Gyroscope ENC-03 and MEMS accelerometer MMA7260 constitute vehicle posture detection device. System adopts Kalman filter to complete the gyroscope data and accelerometer data fusion.，and adopts freescale16-bit microcontroller-MC9S12XS128 as controller core. The center controller realizes the sensor signal processing the sensor signal processing, filtering algorithm and body control, human-machine interaction and so on.
Upon completion of the entire system, each module can be normal and to coordinate work. The vehicle can keep balancing in unmanned condition. At the same time, the vehicle can be adjusted independently then quickly restore stability when there is a moderate amount of interference. In addition, the vehicle also can achieve forward, backward, left and right turn and other basic movements.
Key Words: Two-Wheel Self-Balance; Gyroscope; Gesture detection; Kalman filter; Data fusion
III
目录
1.绪论 (1)
1.1研究背景与意义 (1)
1.2两轮自平衡车的关键技术 (2)
1.2.1系统设计 (2)
1.2.2数学建模 (2)
1.2.3姿态检测系统 (2)
1.2.4控制算法 (3)
1.3本文主要研究目标与内容 (3)
1.4论文章节安排 (3)
2.系统原理分析 (5)
2.1控制系统要求分析 (5)
2.2平衡控制原理分析 (5)
2.3自平衡小车数学模型 (6)
2.3.1两轮自平衡小车受力分析 (6)
2.3.2自平衡小车运动微分方程 (9)
2.4 PID控制器设计 (10)
2.4.1 PID控制器原理 (10)
2.4.2 PID控制器设计 (11)
2.5姿态检测系统 (12)
2.5.1陀螺仪 (12)
2.5.2加速度计 (13)
2.5.3基于卡尔曼滤波的数据融合 (14)
2.6本章小结 (16)
3.系统硬件电路设计 (17)
3.1 MC9SXS128单片机介绍 (17)
3.2单片机最小系统设计 (19)
3.3 电源管理模块设计 (21)
3.4倾角传感器信号调理电路 (22)
IV
3.4.1加速度计电路设计 (22)
3.4.2陀螺仪放大电路设计 (22)
3.5电机驱动电路设计 (23)
3.5.1驱动芯片介绍 (24)
3.5.2 驱动电路设计 (24)
3.6速度检测模块设计 (25)
3.6.1编码器介绍 (25)
3.6.2 编码器电路设计 (26)
3.7辅助调试电路 (27)
3.8本章小结 (27)
4.系统软件设计 (28)
4.1软件系统总体结构 (28)
4.2单片机初始化软件设计 (28)
4.2.1锁相环初始化 (28)
4.2.2模数转换模块（ATD）初始化 (29)
4.2.3串行通信模块（SCI）初始化设置 (30)
4.2.4测速模块初始化 (31)
4.2.5 PWM模块初始化 (32)
4.3姿态检测系统软件设计 (32)
4.3.1陀螺仪与加速度计输出值转换 (32)
4.3.2卡尔曼滤波器的软件实现 (34)
4.4平衡PID控制软件实现 (36)
4.5两轮自平衡车的运动控制 (37)
4.6本章小结 (39)
5. 系统调试 (40)
5.1系统调试工具 (40)
5.2系统硬件电路调试 (40)
5.3姿态检测系统调试 (41)
5.4控制系统PID参数整定 (43)
5.5两轮自平衡小车动态调试 (44)
V
5.6本章小结 (45)
6. 总结与展望 (46)
6.1 总结 (46)
6.2 展望 (46)
参考文献 (47)
附录 (48)
附录一系统电路原理图 (48)
附录二系统核心源代码 (49)
致谢 (1)
VI
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1.绪论
1.1研究背景与意义
近年来，随着电子技术的发展与进步，移动机器人的研究不断深入，成为目前科学研究最活跃的领域之一，移动机器人的应用范围越来越广泛，面临的环境和任务也越来越复杂，这就要求移动机器人必须能够适应一些复杂的环境和任务。

比如，户外移动机器人需要在凹凸不平的地面上行走，有时环境中能够允许机器人运行的地方比较狭窄等。

如何解决机器人在这些环境中运行的问题，逐渐成为研究者关心的问题。

两轮自平衡机器人的概念正是在这样一个背景下提出来的，这种机器人区别于其他移动机器人的最显著的特点是：采用了两轮共轴、各自独立驱动的工作方式(这种驱动方式又被称为差分式驱动方式)，车身的重心位于车轮轴的上方，通过轮子的前后移动来保持车身的平衡，并且还能够在直立平衡的情况下行驶。

由于特殊的结构，其适应地形变化能力强，运动灵活，可以胜任一些复杂环境里的工作。

两轮自平衡机器人自面世以来，一直受到世界各国机器人爱好者和研究者的关注，这不仅是因为两轮自平衡机器人具有独特的外形和结构，更重要的是因为其自身的本质不稳定性和非线性使它成为很好的验证控制理论和控制方法的平台，具有很高的研究价值。

早在1987年，日本电信大学教授山藤一雄就提出了两轮自平衡机器人的概念。

这个基本的概念就是用数字处理器来侦测平衡的改变，然后以平行的双轮来保持机器的平稳[1][2]。

本世纪初瑞士联邦工业大学的Joe、美国的SegwayN等两轮自平衡机器人相继问世，世界各国越来越多的机器人爱好者和研究者开始关注两轮自平衡机器人。

美国发明家狄恩•卡门与他的DEKA研发公司研发出了可以用于载人的两轮自平衡车命名为赛格威，并已投入市场。

由于两轮自平衡车有着活动灵便，环境无害等优点，其被广泛应用于各类高规格社会活动，目前该车已用于奥运会以及世博会等大型场合。

当今唯一市场化的两轮自平衡电动车，如图1-1所示，在2002年上市以来就备受各界的关注。

卡门观察人类走路的姿势特性，领悟到其实人类之所以可以平稳地直立行走，是因为体内灵敏的平衡器官可以精确地判断出身体重心的改变量，透过小脑的即时反应，然后利用腿部的肌肉即时出力来平衡倾倒的态势。

所以当人类的身体前倾时，这种不自主的反应会促使人类伸出其中的一只脚往前走来平衡身体，所以透过这种前倾、往前踏脚、前倾、往前踏脚的动作循环，即构成了“步行”这种动作。

因此
1
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卡门尝试使用精密的陀螺仪来代替人类的前庭与耳蜗等平衡器官，以电动马达与车轮
代替人类的双脚，发展出所谓的“动态稳定"概念[3]。

图1-1 Segway两轮自平衡车
1.2两轮自平衡车的关键技术
1.2.1系统设计
两轮自平衡车的系统设计包括：车身机械结构设计，硬件系统设计和软件系统设计。

在机械结构上保持小车重心的稳定性，才能减少控制系统由于车身机械结构的不合理性而造成的控制复杂化；硬件系统必须包含自平衡车所需的所有电子系统与电气设备；软件系统则具体负责车身平衡控制。

1.2.2数学建模
系统模型的建立，有助于控制器设计，以及控制系统各项参数的确定。

系统数学模型建立的重点在于动力学方面，主要采用拉格朗日动力学方程以及牛顿力学定律的方法。

然而通常的动力学建模方法没有考虑电机转动，车身震动对模型的影响。

并且两轮子平衡车是本质不稳定的非线性系统，因此建模必须考虑线性化问题。

1.2.3姿态检测系统
两轮子平衡车通过姿态检测系统来实时检测车身姿态及运动状态，并根据姿态信息对小车进行控制。

因此，对于两轮自平衡车来说，能够精确并稳定的检测当前车身倾角，是实现有效控制的关键所在。

目前有多重技术可以实现倾角检测，但是实时性，经济性还不够理想。

采用MEMS(Micro-Electro-Mechanical System，微机电系统)陀螺仪和加速度计等惯性传感器构成的姿态检测系统可以实时、准确的检测两轮自平衡车的倾角。

但是由于惯性传感器自身固有特性，随着温度，震动等外界变化，会产生不同程度的漂移与噪声，因
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此必须使用一些滤波算法，对陀螺仪和加速度计采集的数据进行融合，使测量角度更加真实稳定。

1.2.4控制算法
两轮自平衡车属于本质不稳定系统，因此其实现的平衡是一种动态平衡。

在遇到外界干扰如何快速恢复，保持自平衡等问题是控制算法需要考虑的问题。

传统的PID控制在各类工业场合有着广泛的应用，完全可以满足两轮自平衡车的控制系统要求。

当然，也可以采用各类先进的控制算法，诸如基于状态空间的LQR（最优控制）、模糊控制、神经网络等[4]。

1.3本文主要研究目标与内容
本课题设计了一款两轮自平衡小车，研究了车身姿态检测中陀螺仪与加速度传感器的互补特性，并根据其特性比较并设计滤波算法，包括卡尔曼滤波，互补滤波等常用滤波算法。

PID控制算法的实现以及直流电机调速的研究。

具体包括：
(1) 机器人本体设计：包括机械，重心调整，电气系统设计等，为进一步研究提供良好的平台；
(2) 信号调理及控制部分电路设计：陀螺仪输出信号需要经过进一步滤波放大，因此需要设计信号调理电路，同时控制核心需要构建相关输入输出模块及人际交互设备，因此需要对主控单元电路进行设计。

同时还需要设计直流电机驱动电路。

(3) 基于卡尔曼滤波的数据融合：由于陀螺仪测量的角速度只在短时间内稳定而加速度传感器的自身白噪声很严重，因此根据其互补特性设计卡尔曼滤波器以得到准确稳定的角度和角速度。

(4) PID控制算法：包括两路闭环控制。

小车的倾角闭环控制以及直流电机的闭环速度控制。

1.4论文章节安排
第一章：绪论，介绍两轮自平衡车的发展历史、研究方向及应用前景，然后阐述课题的研究目标及主要内容。

第二章：系统原理阐述与分析，对小车的运动进行建模，分析陀螺仪与加速度计的特性并对滤波算法进行阐述，介绍PID控制器的设计。

第三章：系统硬件设计，介绍两轮子平衡车硬件系统的组成与设计，主要介绍单片机最小系统、陀螺仪信号放大电路、电机驱动电路等。

第四章：系统软件设计，介绍单片机初始化，滤波算法及控制算法，阐述各模块软件
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设计方法。

第五章：系统调试，介绍滤波算法的效果与参数调整方法，PID参数整定、电机、编码器等模块的调试效果，对调试结果进行分析。

第六章：总结与展望，总结本设计各模块，并对两轮自平衡小车的优化方向进行了简要阐述。

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2. 系统原理分析
2.1控制系统要求分析
根据系统要求，小车必须要能够在无外界干预下依靠一对平行的车轮保持平衡，并完成前进，后退，左右转弯等动作。

分析系统要求可知，保持小车直立和运动的动力都来自于小车的两只车轮，车轮由两只直流电机驱动。

因此，从控制角度来看，可以将小车作为一个控制对象，控制输入量是两个车轮的转动速度。

整个控制系统可以分为三个子系统：
(1)小车平衡控制：以小车倾角为输入量，通过控制两个电机的正反转保持小车衡。

(2)小车速度控制：在保持平衡的基础上，通过调节小车倾角实现对速度的控制，实际上还是演变为对电机的控制实现小车的速度控制。

(3)小车方向控制：通过控制两个电机间的转速不同实现转向。

小车直立和方向控制任务都是直接通过控制车模两个后轮驱动电机完成的，而速度控制则是通过调节小车倾角完成的。

小车不同的倾角会引起车模的加减速，从而达到对小车速度的控制。

三个子系统各自独立进行控制。

由于最终都是对同一个控制对象（小车的电机）进行控制，所以各个子系统之间存在着耦合。

为了方便分析，在分析其中之一时，假设其它控制对象都已经达到稳定。

比如在速度控制时，需要小车已经能够保持直立控制；在方向控制时，需要小车能够保持平衡和速度恒定；同样，在小车平衡控制时，也需要速度和方向控制已经达到平稳。

这三个任务中保持小车平衡是关键。

由于小车同时受到三种控制的影响，从小车平衡控制的角度来看，其它两个控制就成为干扰。

因此对小车速度、方向的控制应该尽量保持平滑，以减少对平衡控制的干扰。

以速度调节为例，需要通过改变车模平衡控制中小车倾角设定值，从而改变车模实际倾斜角度，达到速度控制的要求。

为了避免影响车模平衡控制，这个车模倾角的改变需要非常缓慢的进行。

其中平衡控制是系统的最基本要求，也是整个控制系统的难点。

2.2平衡控制原理分析
控制小车平衡的直观经验来自人类日常生活经验。

如人类身体拥有丰富的感知器官，通过大脑调节便可以控制腰部及腿部肌肉保持人体的直立。

而一般人通过简单训练就可以让一根直木棍在手指尖保持直立不倒。

这需要两个条件：一个是托着木棍的手指可以自由移动；另一个是人的眼睛可以观察木棍的倾斜角度与倾斜趋势(角速度)。

这两个条件缺一不可，实际上这就是控制系统中的负反馈机制，如图2-1所示。

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图2-1 保持木棍直立的反馈控制系统
自平衡车的控制也是通过负反馈来实现的，与在指尖保持木棍直立比较则相对简单。

由于小车只依靠两个车轮着地，车轮与地面会发生相对滚动使得小车倾斜。

而小车上装载的姿态检测系统能够对小车的倾斜状况进行实时检测，通过控制器控制车轮转动，抵消在这个维度上的倾斜力矩便可以保持小车平衡，如图2-2所示。

图2-2 通过车轮转动保持小车平衡
2.3自平衡小车数学模型
2.3.1两轮自平衡小车受力分析
为了准确控制车轮转动，保持小车始终稳定的直立平衡，需要对自平衡车进行运动学分析并建立其数学模型，从而更好的设计控制系统。

为了更加直观的分析系统受力情况，下面将直立小车与单摆模型进行对比说明小车的受力情况。

重力场中使用细线悬挂的重物经抽象化便形成理想化的单摆模型，两轮自平衡车可以看作一级倒立摆模型进行分析，如图2-3所示。

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7
单摆模型一级倒立摆模型
图2-3 小车抽象为一级倒立摆模型
对普通单摆进行受力分析如图2-4所示。

mg
=
图2-4 单摆受力分析
当物体离开平衡位置后便会受到重力与线的合作用力，驱使物体回复至平衡位置。

这个力称为回复力，其大小为：
-sin F mg θ= （式2-1） 在偏移角很小情况下，回复力与偏移角之间的大小成正比，方向相反。

在此回复力的作用下，单摆进行周期运动。

由于空气阻力的存在，单摆最终会停止在平衡位置。

空气阻尼力与单摆的速度成正比，方向相反。

阻尼力越大，单摆会越快停止在平衡位置。

可得出，单摆保持平衡的条件有两点：
(1) 受到与偏移相反的回复力作用；
(2) 受到与运动速度相反的阻尼力作用。

如果没有阻尼力，单摆会在平衡位置左右晃动而无法停止。

如果阻尼力过小（欠阻尼），
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8 单摆会在平衡位置震荡。

阻尼力过大（过阻尼）则导致单摆恢复平衡时间加长。

因而存在一个临界阻尼系数，使单摆稳定在平衡位置所需时间最短。

对静止的一级倒立摆模型进行受力分析（不考虑车轮与地面的滚动摩擦力），如图2-5所示。

θ
sin
图2-5一级倒立摆模型受力分析图
由一级倒立摆模型静止时的受力分析可知，其回复力大小为：
sin F mg θ= （式2-2） 静止的倒立摆之所以不能像单摆一样可以稳定在平衡位置，是因为在偏离平衡位置时所受回复力与其偏移方向相同，而不是相反，因此不能回复至平衡位置，而是加速偏离垂直位置直至倾倒。

经分析可知，要控制倒立摆使其能够与单摆一样能够回复至平衡位置并保持稳定有两种方案。

一种是改变重力方向；另一种是在系统中增加另外一种力使合回复力与偏移方向相反。

显然，只能通过第二种方法实现倒立摆的平衡，即在系统中额外增加一种力使合回复力与偏移方向相反。

根据牛顿第一运动定律（即惯性定律），任何一个物体在不受外力或受平衡力的作用时，总是保持静止状态或匀速直线运动状态，直到有作用在其上面的外力迫使其改变这种状态为止。

牛顿运动定律只在惯性参考系中成立。

在非惯性参考系中，由于惯性的存在，物体会受惯性力。

通过控制倒立摆底部车轮，使其做加速运动。

在此条件下再次分析倒立摆受力情况，如图2-6所示。

θ
sin
图2-6 非惯性系中的倒立摆受力分析
由于车轮做加速运动，倒立摆会受额外的惯性力作用。

假设车轮运动使倒立摆具有的加速度为α。

选取地面为参考的惯性系，根据牛顿第二定律可知倒立摆受到的惯性力为：
g cos F ma θ= （式2-3） 这样，倒立摆所受到的合回复力为：
sin cos F mg ma θθ=- （式2-4） 在平衡控制系统中，可控偏移角θ较小，对其进行线性化。

假设控制系统中车轮加速度α与偏移角θ成正比关系，比例系数为1k ，则式2-4可变换为：
1F mg mk θθ=- （式2-5） 若比例系数1k >g （重力加速度），则倒立摆所受合回复力的方向即与偏移方向相反。

这样，倒立摆便可以回复平衡位置，但是其调整时间过长。

为提高倒立摆调整时间，需要加入阻尼力。

增加的阻尼力与偏移角速度成正比，方向相反，因此式（2-5）可变为：
12F mg mk mk θθθ'=-- （式2-6） 这样车轮需要提供的加速度即为：
12a mk mk θθ'=+ （式2-7） 式中θ为倾角，θ'为倾角速度，1k 、2k 为比例系数。

由式2-7可知，只有当1k >g 时，倒立摆才能稳定到垂直位置。

2k 为阻尼系数，合适的阻尼系数可以使倒立摆尽快回复至稳定位置。

2.3.2自平衡小车运动微分方程
已知自平衡车高度为l ，质量为m ，将其抽象为一级倒立摆，并将倒立摆至于可水平移动的小车上。

假设其受外力干扰引起的车体角加速度为()x t ，沿垂直于车体方向进行受力分析如图2-7，可以得到自平衡车倾角与车轮移动加速度为()a t 以及外力干扰带来的加速
度()x t 之间的运动方程。

)
图2-7 外力干扰条件下的小车受力分析
小车运动微分方程表达式如式2-8：
()()()()()22sin cos d t l g t a t t lx t dt
θθθ=-+⎡⎤⎡⎤⎣⎦⎣⎦ （式2-8） 当倾角θ很小的时候，可以进行线性化处理：cos()1sin()θθθ≈≈、
，运动微分方程可简化为：
()()()()22d t l g t a t lx t dt
θθ=-+ （式2-9） 自平衡车静止时()0a t =,其运动微分方程为：
()()()22d t l g t lx t dt
θθ=+ （式2-10） 2.4 PID 控制器设计
2.4.1 PID 控制器原理
当今的自动控制技术都是基于反馈的概念。

反馈理论的要素包括三个部分：测量、比较和执行。

测量系统需要控制的变量，与期望值相比较，用这个误差纠正调节控制系统的响应。

在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简称PID 控制，又称PID 调节。

PID 控制器问世至今已有近70年历史，以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。

PID 控制器由比例单元（P ）、积分单元（I ）和微分单元（D ）组成。

其输入e (t ）与输出u (t ）的关系为：
()()()()011t D de t u t Kp e t e t dt T T dt ⎡⎤=++⎢⎥⎣
⎦⎰ (式2-11)
其中Kp为比例系数；1T为积分时间常数；D T为微分时间常数。

PID控制器具有原理简单、使用方便、适应性强、鲁棒性强、对模型依赖少等特点，因此使用PID控制器实现两轮自平衡车的控制是完全可行的。

2.4.2 PID控制器设计
由小车静止时其运动方程可得到系统输入输出传递函数：
()
()
()2
1
s
H s
g
X s s
l
Θ
==
-
(式2-12)
此时系统具有两个极点：
p
g
s
l
=±。

其中一个极点位于s平面的右半平面。

根据奈
奎斯特稳定判据可知系统不稳定，因此小车在静止状态不能保持平衡[5][6]。

由小车受力分析可知小车平衡的条件是提供额外的回复力及阻尼，其来源为车轮与地面的摩擦力。

由式2-7可知，车轮提供的加速度的大小是根据角度θ及角速度θ'的反馈得出，因此需要在控制系统中引入角度θ及角速度θ'构成比例(P)微分(D)反馈环节，如图2-8所示。

图2-8 加入比例微分环节后的控制系统结构图
加入比例微分反馈后的系统传递函数为：
()
()
()221
1
s
H s
k k g
X s s s
l l
Θ
==
-
++
(式2-13) 此时，系统的两个极点为
()
2
221
4
p
k k l k g
s
-±--
=。

根据奈奎斯特稳定判据可知，系统稳定需要两个极点都位于s平面的左半平面。

要满足这一点，需要1k>g, 2k>0。

由此可得出结论，但1k>g, 2k>0时，小车可以保持平衡，这也与上文中小车受力分析的结果相。